燃煤锅炉烟气余热回收与节能分析

刘婷婷

(晋能控股煤业集团云岗矿水暖队，山西 大同 037017)

引 言

山西大同某发电站位于山西省大同市云冈区塔山工业园区，成立于2015年8月4日，占地190 770 m2。针对该公司一台660 MW超临界电站锅炉的特点为其设计低温省煤器，实现余热回收与节能的目的。该电站锅炉的热效率比较高，都在90%以上，锅炉尾部排烟温度比较低，都在150 ℃左右。

1 技术要求和技术规范

该工程锅炉是1台660 MW超临界燃煤发电机组的锅炉设备，尾部烟气的流程为：炉膛出口的尾部烟气-脱硝SCR反应器-空气预热器-除尘器-引风机-脱硫吸收塔-烟囱。

低温余热回收省煤器将安装在空气预热器和电除尘器之间的烟道上，共有4个并列烟道，烟道的截面尺寸为4 800 mm×4 200 mm，可利用的烟道长度约为10 m。烟道接近地面，呈水平放置。

锅炉容量和主要参数为：主蒸汽温度为571 ℃，最大连续蒸发量(BMCR)为2 070 t/h，最终与汽轮机的VWO工况相匹配。在不同的发电负荷下排烟温度的变化见表1所示。

表1 不同发电负荷下的排烟温度

省煤器的给水引自凝结水系统，属于烟气加热给水的低温省煤器。为了防止露点腐蚀，换热设备的低温段采用ND钢(09 CrCuSb)，ND钢使用量不低于换热面总质量的50%。

每套烟气余热回收装置必须配置有效的检漏措施；换热器需要进行分组设计和制造，当其中一组出现泄漏需要维修时，能退出余热回收装置，不影响其他分区的正常运行[1-3]。

在每个烟气的入口和出口处应合理布置适当数量的烟气温度测点、管道泄漏在线监测装置。水侧应合理设计，以满足传热和阻力的要求。应考虑设置增压泵并使用变频调节来控制总流量。

2 技术数据

在锅炉的烟气总流量中，有并列4个进入除尘器的排出烟道，在每个烟道上安装一台低温省煤器，每台省煤器的设计条件和结构完全相同[4]。热平衡计算的参数见第175页表2所示。

表2 热平衡计算参数表

3 环形翅片管省煤器设计方案

该方案特点：烟气在水平烟道内流动，无须改变烟道方向。因环形翅片管排列紧密，换热系数高，可使结构紧凑，总质量减少，成本较低。程序计算结果如下：

3.1 设计参数/单台

烟气流量：785 340 kg/h；烟气入口温度：140 ℃；烟气出口温度：95 ℃；水流量：308 526.4 kg/h；水入口温度：70 ℃；水出口温度：100 ℃；换热量：10 798.4 kW。

3.2 翅片管规格

整体轧制环形翅片管，碳钢/ND钢。光管外径：42 mm；光管内径：32 mm翅片厚度：1.2 mm；翅片节距：8 mm翅片高度：15 mm；翅化比：6.2。

3.3 传热计算结果

迎风面质量流速：4.81 kg/m2·s；最窄面质量流速：10.0 kg/m2·s；翅片效率：0.73；翅片管外换热系数：91.7 W/m2·℃；基管外换热系数：435.8 W/m2·℃；单管程管子数：114支；管内换热系数：6 127.5 W/m2·℃；传热系数：310.8 W/m2·℃；传热温差：28.7 ℃；计算传热面积：1 210.6 m2。

3.4 换热器结构

迎风面积：45.325 m2；翅片管长度：8.75 m，迎风面宽度：5.18 m；翅片管横向管间距：0.09 m；翅片管横向管排数：57排；翅片管纵向管排数：20排；翅片管总数：1 140支；实取传热面积：1 331.7 m2；烟气流动阻力：884.5 Pa；单排翅片管流动阻力：44.2 Pa。

3.5 质量和造价

单支翅片管质量：73.298 kg/支；单台翅片管总质量：83 559.72 kg；单台设备总质量(约)：133 695 kg/台4台设备总质量：534.8 t。

4 经济性分析

4.1 工程投资

换热器造价2.0万元/t；4台省煤器总质量534.8 t；4台省煤器造价1 069.6万元；4台设备售价1 400万元；现场改造费用约100万元；不可预见费用100万元；总投资1 600万元。

4.2 投资效果

总回收热量Q=43 192 kW；煤的低热值Qdw=13 840 kJ/kg；锅炉总热效率m=0.9 251；每秒节煤量43 192 kg，每小时节煤量12 132 kg；每小时满负荷发电量66 000 kW·h；1 h内，每度电节煤量18.4 g煤炭。因为燃烧的是褐煤，热值很低，所以节煤量较大。

4.3 投资回收期

每天节煤量291.168 t；设每吨煤价为200元，每天收益为58 233.6元。设每天运行成本为3 000元，每天净收益为5.52万元。

投资回收期=总投资/每天净收益=1 600万/5.53万/d=289 d说明工程总投资不到1年即可回收。

5 省煤器结构简图

省煤器结构如图1所示，纵向5组管屏，每管屏由2个管程，4排管组成，每管屏的翅片管总数为4×57支。

图1 省煤器的组合结构示意图

图中的尺寸大约为：A=0.6 m，B=5.8 m，C=9.2 m。各管屏的翅片管材质：从烟气人口：1、2、3管屏为20 g碳钢，45管屏为ND钢。

结构设计的特殊要求：因为采用了分体式结构，省煤器由几个独立的管屏组成，但在运行时各管屏必须精密地结合在一起，因而在设计和安装时要给予特殊的考量：1) 安装时，各管屏之间要用易拆卸结构加以固定，管屏之间的安装间隙要填入耐热岩棉或其他柔软的耐热材料；2) 管屏之间的进出水管安排在管箱上部，两管屏之间的连接水管要采用易拆卸可伸缩结构；3) 在管屏之间可以安装测温器或吹灰器；4) 每个管屏上方应设有吊装挂钩，以方便安装和维修[5-6]。

6 结论

上述设计参数是在用户的招标文件中提出的，设计发现，低温省煤器的传热面积过大，纵向管排数过多，共20排，需要5组管屏，制造成本较高。经过协商，决定修改设计参数：将原来的烟气进出口温度：140 ℃～95 ℃修改为140 ℃～105 ℃，水的入口、出口温度和其他参数不变。

综上所述，对低温排烟的余热回收，不宜追求过高的余热回收量和过高的余热回收效率，否则将使工程的经济性大幅下降，不利于余热回收项目的实行和推广。